关键词： 四足机器人   力/位置柔顺控制   运动控制   远程遥控  

摘要： 四足机器人相对于两足人形机器人有更好的稳定性和负载能力，而比六足或八足机器人结构和控制更为简单，是步行机器人中最有可能先实用化的机型，是步行机器人的研究热点，具有广阔的应用前景。 本文首先介绍了四足机器人的国内外研究现状和发展趋势。介绍了四足机器人的结构设计和驱动方式。建立了包含机器人姿态参数的运动学模型，并对机器人进行了正向与逆向运动学分析，推导了机器人的运动学方程和运动学逆解。设计了四足机器人的惯性姿态检测模块，采用LPR530AL和LY530ALH组成三轴角速度检测模块，采用ADXL335构成三维加速度检测模块，利用四元数和三角函数法研究了角速度和加速度与机器人的姿态的转换关系。并在机器人足端安装了三维力传感器，经静态标定得到三维力传感器的解耦矩阵。并采集了机器人在无反馈状态运动时下的受力情况，通过分析其受力情况，提出了四足机器人在运动时的力/位置控制策略。设计了四足机器人单腿的力/位置柔顺控制算法，通过半实物仿真平台，验证了机器人对足端力控制算法的可行性。将力反馈控制策略加入机器人控制系统，实现了四足机器人在地面的稳定运行，降低了地面对机器人的冲击力。最后设计了基于移动通信网络的远程遥控系统，并进行了远程通信实验，证明了远程遥控系统的可行性。

关键词： 研抛加工   柔顺控制   光学曲面   进给率优化  

摘要： 非球面光学曲面在航天航空、国防、科学仪器、以及面向消费者产品等工业领域有着日益增长的应用需求。为了加工创成高质量的非球面光学曲面,需要高性能的研抛加工机床,一台高性能的研抛机床涉及许多关键技术,其中研抛压力控制、研抛工具的路径规划等一直是学术界亟待解决的问题。本文针对课题组研发的研抛机床,对其控制系统、各运动轴的控制、研抛机床的进给率进行了分析和研究。从而为非球面的加工控制提供一定的理论依据。 本文通过对所研发的研抛机床结构特点和运动轴数的分析,设计了研抛机床的硬件控制平台。采用基于Windows实时插件环境下的A3200多轴控制器的开放式数控系统对工作平台、摆台和转台进行了联动控制。 在深入分析研抛加工柔顺控制机理的基础上,建立了基于直线电机恒定负载力输出的柔顺控制模型。分析了研抛加工中研抛工具与工件的位置关系,利用空间几何理论推导出了以被加工工件为外部已知作业环境的恒定负载力输出公式,基于基尔霍夫定律对负载力输出的可行性做了进一步论证。并利用仿真软件对该模型进行了仿真分析。 通过建立工件坐标系和机床坐标系之间的联系,基于空间坐标变换理论,推导出研抛机床的运动学模型,求得了运动学正逆解。基于机械手臂雅克比矩阵推导出进给率与机床各轴运动速度及加速度的关系。在此基础上以梯形加减速为例结合研抛加工对主轴转速的限制条件设计了研抛机床的进给率优化模块,并利用仿真软件对该模块进行了仿真分析。

关键词： 形状记忆合金   气动肌肉   柔顺控制   刚度调节  

摘要： 气动肌肉是仿生机器人研究的重点,为此,设计了形状记忆合金丝编织网气动肌肉机构.通过等效气缸和等效动力学分析,建立了输出力模型,设计了含位置PID内环的阻抗控制,并建立了阻抗模型,通过拉氏变换和频域分析给出了稳定条件.理论分析表明,合金丝的收缩可增大气动肌肉的输出力和调节刚度.在Matlab上开展阻抗参数对柔顺性影响的仿真实验,结果表明刚度对于接触力影响最大,阻抗控制可实现接触力和位置的协调控制.

关键词： 膝关节机器人   假想柔顺控制   动力学建模   PID控制   表面肌电信号(sEMG)  

摘要： 为了让膝关节机器人能够对外界作用力具有顺从的能力,提出一种基于作用力/速度的假想柔顺控制策略。通过获取膝关节机器人与人腿间的作用力信息来控制电机的转速和转动方向,从而为人的行走提供助力。采用PID控制算法实现对直流电机地准确控制,实验的结果表明假想柔顺控制策略和PID控制算法是有效的。

关键词： 机器人   柔顺控制   灵巧手指   关节   位置控制   力控制  

摘要： 研究了基于混合位置/力矩控制策略的机器人灵巧手指基关节的柔顺控制方法。该基关节有2个自由度,运动轴线垂直相交。在自由空间中和约束空间的位置控制方向上,采用具有鲁棒性平滑非线性反馈(SRNF)的补偿器的PD位置控制算法实现精确、平滑的轨迹跟踪;在约束空间的力控制上,采用改进的纯积分力控制算法实现精确的力控制。该算法具有计算量小和精度高的特点。以HIT/DLR灵巧手为对象进行了实验,结果验证了该控制方法的有效性。

关键词： 卧式下肢康复机器人   主动柔顺控制   阻抗控制   实验研究  

摘要： 为保证下肢运动功能障碍患者在康复训练中的安全性和舒适性，利用力反馈信息采用阻抗控制原理设计了康复机器人系统的控制器，通过调整末端位置与力之间的关系使机器人具有一定的柔顺性。建立了系统的控制模型，并在dSPACE平台上进行了实验研究。结果表明，通过调节控制器中的阻抗参数，可以使机器人获得不同的刚度特性和阻尼特性，同时分析了参数变化对康复训练的影响。在患肢康复的不同阶段，可通过调节该控制器参数，使康复过程既能满足临床需要又具有柔顺性。

关键词： 空间手爪   柔顺控制   碰撞扰动   模糊自适应控制   抓握策略  

摘要： 针对空间手爪在抓握目标物体的过程中,因接触碰撞而产生的扰动力可能会造成机械臂抖动和初始位姿改变,甚至将目标物体弹出捕获区,造成捕获失败的问题,提出了基于抓握力的模糊自适应控制策略,以削弱在抓握过程中因接触碰撞产生的扰动力,减小对机械臂造成的扰动。首先介绍了哈尔滨工业大学(HIT)自行研制的三手指空间手爪,对其抓握过程和接触碰撞进行了分析,提出一种柔顺控制策略,设计了基于抓握力的模糊自适应控制器。通过模糊控制器实时地调整控制参数,不仅可使系统稳定,而且具有良好的动态品质;控制器中的滑模控制还可以增强系统的鲁棒性。采用HIT在轨自维护机械臂在空间微重力运动平台上进行了抓握实验,实验结果表明设计的控制器和提出的抓握策略能够有效削弱抓握过程中的扰动力。

关键词： 金属加工   被动腕关节   柔顺控制   模糊PID   虚拟仪器  

摘要： 介绍了一种利用被动腕关节的曲面柔顺研抛工具系统的结构原理,阐述了利用弹性适应体与直线步进电机的系统力控制方案,通过将力/位混合空间解耦,在独立的力空间对法向力进行主动控制。建立了力控制系统模型。采用模糊PID控制算法对控制参数进行实时整定,利用Simulink对控制系统性能进行了仿真实验。使用LabVIEW编制了控制系统软件,并结合一种自由曲面形状工件进行了法向力控制实验。仿真和实验结果均表明系统动态特性良好,对法向力的控制效果较好。

关键词： 微夹钳   单片柔顺机构   有限元分析   集成传感   自适应控制  

摘要： 随着微纳米技术(Micro/nanotechnology)和微机电(Micro-electro Mechanical Systems, MEMS)系统的兴起和发展,对多个微小零件装配成复杂的微机电系统的微装配与微操作技术成为迅速发展起来的一个研究领域。微夹钳在微操作和微装配过程中直接与夹持对象接触,其作为微操作和微装配系统中典型的末端微执行器,对微操作和微装配任务的实现有着重要的作用。微夹钳技术是一门涉及微机械、材料、传感器、自动控制、电子技术和计算机等的交叉学科,在微机械、微电子学、光学、微流体和生物科学等领域有着广泛的应用。装配零件的尺寸和形状都不固定,而且容易变形和破碎。一方面微夹钳的夹爪位移应行程大、分辨率高,在显微视觉视场中可以准确地移动;另一方面为避免损伤微型零件,应对夹持力进行传感和反馈控制。因此,研究具有大行程、高分辨率的夹爪位移,并集成夹持力/位移传感器和反馈控制的微夹钳具有重要的意义。 本文在开发的夹爪平行移动的压电驱动微夹钳基础上,建立了力/位移输入输出关系模型,并对动力学模型进行了改进。分析了微夹钳的单片柔顺机构的传感特性,集成了夹持力和夹爪位移传感器,并完成了传感器的标定。建立了实验平台并对微夹钳的夹持力特性进行了测试。在集成传感基础上,辨识了微夹钳的驱动电压与夹持力和夹爪位移之间的关系模型。研究了力/夹爪位移的反馈控制技术,采用了PID反馈和模型参考自适应控制来提高夹持力/夹爪位移的控制精度。 本文的主要研究工作和成果包括: 1.在开发的压电致动微夹钳的基础上,对微夹钳的夹持力和夹爪位移的性能进行了分析。运用伪刚体模型法建立了微夹钳的单片柔顺机构的夹持力、输入力、夹爪位移与输入位移之间的关系模型并进行讨论。对原有的单片柔顺机构的动力学模型进行了改进。理论分析为微夹钳夹持力的传感与控制提供了理论基础。 2.分析了微夹钳的单片柔顺机构在夹爪移动和夹持物体过程中的应变特性及实现夹爪位移传感和夹持力传感的可行性,分别建立了单边柔顺铰链最大应变与输入力、夹爪位移,柔性梁最大应变与梁变形、夹持力的之间关系模型,并与有限元仿真结果进行比较。利用ANSYS软件仿真分析了单片柔顺机构的应变特性和粘贴的应变片的应变分布。仿真结果表明,可在单片柔顺机构单边柔顺铰链和柔性梁上分别粘贴应变片构成夹爪位移传感器和夹持力传感器,并且传感器输出呈线性关系。 3.在单片柔顺机构的单边柔顺铰链和柔性梁上分别粘贴半导体应变片实现了夹爪位移和夹持力的测量,并利用惠斯通单臂电桥和差动电桥连接实现了传感信号的转换和处理。根据微夹钳的单片柔顺机构的夹爪平行移动的特点,利用标准悬臂梁的受力与梁弯曲变形之间关系,提出一种利用非接触式位移传感器测量柔性梁的形变量来实现夹持力传感器标定的方法。 4.建立了相应的实验装置分别对夹持力传感器和夹爪位移传感器进行了标定,实验测试了微夹钳的夹持力特性并与理论模型进行了比较,给出了夹持微小物体的实验来模拟实际的夹持过程。实验结果表明,微夹钳的夹爪位移与输入力、夹持力与输入力呈线性关系,夹持力模型符合实际的夹持过程。 5.在集成传感基础上,辨识了微夹钳的驱动电压与夹持力和夹爪位移之间的关系模型。研究了力/夹爪位移的反馈控制技术,采用PID反馈和模型参考自适应控制来提高夹持力/夹爪位移的控制精度。为了验证反馈控制系统的有效性,对系统进行了仿真研究。仿真结果表明,夹持力/夹爪位移的PID控制的误差呈周期性变化,而自适应控制对期望输入的跟踪控制误差小,控制效果较好。 本文的研究工作为压电驱动微夹钳的单片柔顺机构的设计、分析与控制提供了理论基础和设计方法。

关键词： 医疗机器人   结肠内窥镜   连续体型结构   运动学   通过性   柔顺控制  

摘要： 随着社会工业化的发展,环境污染、饮食结构改变、精神压力等因素对人类的健康产生了消极影响,许多人遭受肠道炎、肠道肿瘤以及肠道癌等肠道疾病的困扰。作为定性诊断和治疗结肠疾病的医疗器械,结肠内窥镜在人体结肠肿瘤性病变的诊断方面具有重要价值。然而,传统结肠内窥镜只有其前端的导向段具有可控转向功能,其余部分通过利用与肠道壁接触所产生的挤压力而被动弯曲,故容易在肠道弯曲部位发生镜体“堆积”和“结襻”现象而无法通过、损伤肠道组织甚至出现“穿孔”事故,造成病人不适和痛苦。 针对传统结肠内窥镜的缺点,本文研制了一种新型的结肠内窥镜机器人。该内窥镜机器人采用多关节段连续体型仿生结构,具有10自由度主动弯曲能力。在由操作者控制其前进运动的同时,内窥镜机器人根据所建立的成人结肠弯曲模型和传感器力反馈信息主动而柔顺地改变自身的形状以适应结肠的弯曲状况,实现在肠腔非结构环境内的半自主运动。本文主要在半自主式结肠内窥镜机器人的仿生结构设计、运动学分析、在结肠肠腔环境下的通过性和柔顺控制方面开展研究。 在对人体结肠的解剖学特征和连续体型机器人的仿生原理进行分析的基础上,设计了具有多关节段连续体型结构的结肠内窥镜机器人。机器人分为5段,每段各具有2个自由度,通过绳索驱动方式实现对各关节段的运动控制。针对传统D-H方法不适用于连续体型机器人运动学分析的问题,提出了一种高效并具有良好实时性的连续体型机器人运动学分析方法,利用该分析方法对内窥镜机器人单关节段和多关节段的驱动空间、关节空间以及操作空间三者的位置映射关系进行了研究,并进行了运动学仿真分析。在机械结构和运动学层面为内窥镜机器人的通过性和柔顺控制研究奠定了基础。 根据成人结肠解剖学弯曲特征,构建了人体结肠的三维弯曲模型,该模型具有简练而不失一般性的特点。为了使内窥镜机器人在工作空间受限的肠腔环境内具有良好的通过性,针对结肠内窥镜机器人的多关节段连续体型结构,提出了一种基于端点重合思想的多关节段结肠内窥镜机器人肠腔环境下的半自主通过控制策略。研究了结肠内窥镜机器人在乙状结肠段和降结肠段二维结肠环境下以及横结肠段三维结肠环境下半自主通过控制策略的实现方法,并进行了通过性仿真分析,验证了通过控制策略和实现方法的可行性。 研究了人体结肠组织的生物力学特性,确立了结肠内窥镜机器人与结肠壁接触压力的安全阈值,为半自主式结肠内窥镜机器人对结肠肠腔环境的柔顺控制研究提供了依据。设计了用于测量机器人关节段与肠道壁接触压力的压力传感器,并分析其力学特性。针对半自主式结肠内窥镜机器人在肠腔内部非结构环境下的适应性问题,提出了一种基于肠腔环境生物力学特性的内窥镜机器人柔顺控制策略。该控制策略不需要对机器人复杂动力学模型进行求解,因而具有较高的实时性和可行性。 最后搭建了半自主式结肠内窥镜机器人原理样机实验系统,介绍了原理样机所采用的两级分布式控制系统的硬件和软件构成,对内窥镜机器人单关节段和多关节段的弯曲能力分别进行了实验,验证了所提出的多关节段连续体型机器人运动学算法的正确性。开展了刚性模拟肠道环境下机器人的通过性实验研究,验证了半自主通过控制策略的有效性。对内窥镜机器人在医用结肠模型内的柔顺运动进行了实验,结果表明内窥镜机器人对柔性肠道模型具有良好的适应性,机器人与肠道壁的接触压力可控制在安全压力阈值以内,验证了所提出的柔顺控制方法的有效性。